贺永：打印器官还远吗？

应琛

电影《王牌特工》中有这样一幕：特工哈里头部中枪倒地，被带回基地抢救，抢救方法是一项黑科技：先把哈里的头包起来，注入抗震水凝胶并用纳米技术修复头上的伤口，最后他成功复活。

“这个桥段观众们都吐槽有些无厘头，也与当前的医疗发展程度严重不符，但我想，未来的临床治疗和急救场景一定会和电影中的场景类似，是十分便携、快速、智能、高效的方法。” 浙江大学机械工程学院教授、博士生导师贺永在第34期“科学Talk”上作了题为《生物3D打印：从器官模型构建到组织修复》的分享，介绍了其课题组近年来在生物3D打印领域的最新研究成果，包括生物墨水设计、同轴挤出式打印、投影式光固化打印等先进生物制造方法，以及其在体外血管化构建、细胞的可控生长、神经修复等生物医学领域的应用。

一直以来，体外制造活性组织或器官都是人们孜孜不倦追求的目标。究其原因，一方面，目前器官移植的缺口巨大。另一方面，当前的医学研究需要更为精准的体外模型。

而这也是贺永选择从事生物3D打印研究工作的原因，“我的终极目标就是真正实现体外重建可移植的活性器官”。

“3D打印，就如同切土豆的逆过程，即将土豆片、土豆丝反向组装成土豆。”贺永经常用“组装土豆”的形象比喻来解释3D打印的过程，“而生物3D打印，就是在体外将细胞进行三维可控的组装”。

考虑到单纯的细胞无法直接组装，“工程人”贺永想到的解决方法看起来“简单粗暴”，即通过细胞胶水（生物水凝胶）实现细胞在空间上的固定。为此，他研发出“生物墨水”——“细胞+‘胶水’+生长因子”等的组合，不仅具备非常好的生物活性，便于打印后的细胞进一步发育，还具有很好的流动性，打印后能很快固化以便于固定成型。

浙江大学机械工程学院教授、博士生导师贺永。

同时，针对生物墨水的特性，贺永团队还尝试了多种打印工艺，并开发出系列高精度生物3D打印机。

“当你想要组装一个尺寸比较大的器官时，为了保持细胞的活性，最关键的就是要解决营养输送的问题。但打印出来的整个体系很像‘嫩豆腐’，非常软。想要在里面构造类似我们体内的血管系统就变得非常困难。”为此，贺永和团队花了两年的时间，研发出打印的同时在组织内部有效构造出营养流道网络的生物3D打印新方法。

“我们称之为‘组织及血管一体化制造’。现在说起来原理很简单，就是把‘土豆丝’变为中空的，用中空纤维作为打印的基本单元，直接打印出带通道的多孔组织结构。”贺永向《新民周刊》记者解释道，“我们还提出了同轴3D打印方法，通过渐进交联实现结构融合。”

在这个成果的基础上，贺永开始琢磨起如何重建具有血管功能的组织，一做又是五年。

“其实就是把‘空心土豆丝’变回实心的，在里面注入载有内皮细胞的明胶。在后期37度的环境下培养时，明胶融化通过管壁流出，但内皮细胞尺寸较大，只能贴着内壁生长。”贺永表示，这样就能在打印出一个大尺寸组织的同时，同步建立内部的血管化的结构。接下去在体外培养的时候，血管化通道可以进一步被诱导产生毛细血管网络，形成类体内组织的多级血管网络。

贺永介绍，目前的生物3D打印有两个重要应用，其一是构造人体器官模型，为疾病机理研究、肿瘤的个性化治疗等提供更为高效的手段；其二是为器官/组织的局部缺损、功能丧失患者等提供更高效的修复手段。

在成果转化方面，团队产业化了系列的生物3D打印机、建立了生物墨水的量化生产线，推出20余种系列的生物墨水，提供整套细胞3D培养和生物3D打印解决方案，EFL产品已服务哈佛、剑桥、清华、北大、浙大等国内外上千个实验室。

而这种类似真实血管组织的结构（打印的血管含内皮、平滑肌及成纤维细胞）的最大特点正是管壁自带微米尺度的通道，这个通道可用于血管的营养输送、各种生长因子、药物的刺激等，非常方便于做药物筛选、细胞共培养、细胞力学等相关的研究。

此外，贺永课题组还致力于构建基于微球的迷你組织。他们将不同的细胞制成“生物墨水”，在一个微流控芯片喷头的控制下，一点点“吐”出“墨水”，操控不同种类的细胞形成特定结构的微球，进而长成具有生物活性的微组织。

“这一技术的精度可以达到单细胞分辨率。”贺永说，与现有生物制造方法相比，实现了在微小空间内三维结构的可控成型，为体外重建复杂类器官和开发更为高效的器官芯片、实施更有效的细胞治疗等提供了新思路。

为现实需求而研究

“未来，在战场、火情、抗震救灾等场景中，会有大量的高智能机器人手提着装有优化N代的‘生物混凝土’墨水的急救包，自主发掘伤员、分析伤员伤情及缺损结构，并利用‘生物混凝土’墨水对缺损进行原位打印，使伤员不错过最佳的救助时机。”贺永表示，这样的前景一定会变成现实。

贺永的博客名为“打印一个新世界”，生物3D打印技术已经许诺了一个美好的未来，“但想要达到最初器官打印的设想还有相当长的路要走”。

前景明朗，却不意味着过程的顺利。毕竟，生物3D打印是医学、生命科学、材料学、信息技术、组织工程、制造学、临床试验等多学科交叉的产业，没有太多成熟的经验可供借鉴。

贺永原本专攻机械工程这个专业。“以前做机械工程，我们沉迷于怎么把零件的精度提升，如何把结构做好，但最后要怎么用，我们并不知道。和最终用户其实是脱节的。”贺永深知，不知道需求在哪里，只关注自己的学科做研究是很难深入下去的。因此，当2010年决定研究3D打印这个方向后，贺永又花了两年时间查资料、学习才最终确定了与生物医疗结合这个方向。但具体怎么做，贺永一开始心里也没有底，压力让他那段时间每天凌晨4点就醒过来。

关键时刻，学院领导给予他极大的支持。雪中送炭的经费，让贺永坚持了下去，并逐渐摸到了门道，研究逐步步入正轨。他还创建了EFL品牌（Engineering for Life），致力于医工交叉研究及成果转化。

近年来，在基础研究层面，EFL团队在高水平期刊上陆续发表了系列文章。在成果转化方面，团队产业化了系列的生物3D打印机、建立了生物墨水的量化生产线，推出20余个系列的生物墨水，提供整套细胞3D培养和生物3D打印解决方案，EFL产品已服务哈佛、剑桥、清华、北大、浙大等国内外上千个实验室。

今年，EFL团队提出了全新的“生物混凝土”墨水思路：将预功能化的载细胞微球作为“石子”，高浓度GelMA水凝胶预聚液作为“水泥”，并开发了机器人原位生物3D打印系统，根据患者组织缺损处的形态，直接在缺损处沉积“生物混凝土”，实现组织再生及修复。相关论文也于日前发表在了《Nature Communications》期刊上。

“关于器官级别的重建，目前我们已经取得了进一步的进展。”贺永透露，相关成果有望在不久后发表。